(57)【要約】【課題】高電圧プラズマ発生装置において、プラズマの生成領域を拡大して、供給されたガスを効率よく処理する。【解決手段】高電圧プラズマ発生装置は、高周波信号の給電により共振を発生させ、この共振により高電圧を発生させる長尺状の電極であって、交流信号の給電点が長尺状の中間部分に設けられる第１の電極と、第１の電極の周りを覆い、第1の電極の少なくとも一方の端から、第1の電極の延長上の離間した位置に、ガス流の供給口が設けられた金属製の筐体と、第１の電極の一方の端の近傍に、一方の端から離間して設けられ、筐体と接続された、アースされた第２の電極と、第１の電極が電磁波を放射する際の共振周波数と同じ周波数の信号を給電する電力供給装置と、を有する。第１の電極と第２の電極間の領域で、ガスを用いたプラズマを生成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気圧中、ガス流として供給されるガスに対して１０2〜１０5Ｖの高電圧を与えてプラズマを発生させる高電圧プラズマ発生装置であって、
交流信号の給電により共振を発生させ、この共振により高電圧を発生させる長尺状の電極であって、前記交流信号の給電点が前記長尺状の中間部分に設けられる第１の電極と、
前記第１の電極が放射する電磁波を閉じ込める空間を形成するように、前記第１の電極の周りを覆い、前記第１の電極の少なくとも一方の端から、前記第１の電極の延長上の離間した位置に、ガス流の供給口が設けられた金属製の筐体と、
前記第１の電極の前記一方の端の近傍に、前記一方の端から離間して設けられ、前記筐体と接続された、アースされた第２の電極と、
前記第１の電極が電磁波を放射する際の共振周波数と同じ周波数の信号を前記給電点に給電する電力供給装置と、を有し、
前記第1の電極と前記第２の電極間の領域で、前記ガスを用いたプラズマを生成することを特徴とする高電圧プラズマ発生装置。
【請求項２】
前記筐体はアースされ、
前記第２の電極は、前記供給口に設けられ、アースされた前記筐体と接続された網状電極である請求項１に記載の高電圧プラズマ発生装置。
【請求項３】
前記筐体には、供給されプラズマが生成された後のガスを排出する排出口が設けられている請求項１または２に記載の高電圧プラズマ発生装置。
【請求項４】
前記排出口は、前記第２の電極が設けられる側と反対側の、前記第1の電極の延長上の離間した位置に設けられている請求項３に記載の高電圧プラズマ発生装置。
【請求項５】
前記排出口には、アースされた前記筐体と接続された網状電極が設けられ、この網状電極と、前記第１の電極の前記他方の端との間の領域で、前記ガスを用いたプラズマを生成する請求項４に記載の高電圧プラズマ発生装置。
【請求項６】
前記供給されるガスは、窒素酸化ガスを含むガスであり、供給された窒素酸化ガスのうち一酸化窒素ガスを、生成されたプラズマを用いて酸化処理をする請求項１〜５のいずれか１項に記載の高電圧プラズマ発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波帯域、例えば１００ＭＨｚ〜１０ＧＨｚ周波数帯域で１０2〜１０5Ｖの高電圧を用いてプラズマを発生させる高電圧プラズマ発生装置に関し、例えば、船舶や自動車に用いられるディーゼルエンジン等から排気される排気ガス中のＮＯ（一酸化窒素）の酸化処理装置等の分野に好適に用いることのできる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、ディーゼルエンジン等から排気される排気ガス中のＮＯを酸化処理するために、大気圧中で生成するプラズマを利用する処理装置が提案されている。
【０００３】
下記非特許文献１では、電極間に数ｋＶの高電圧を印加してプラズマを生成し、このプラズマを利用して、供給されたＮＯの酸化処理を行うプラズマリアクターが提案されている。図６には、このプラズマリアクターの装置構成が示されている。図６に示すプラズマリアクター１００は、筒状の誘電体ガラス管１０２と、誘電体ガラス管１０２の中に設けられた棒状の放電電極１０４と、誘電体ガラス管１０２の外周面に巻かれた電極１０６と、誘電体ガラス管１０２内の、多孔性の誘電体板１０８，１１０で両側が隔離された空間に配置されたチタン酸バリウムからなる球形ペレット１１２と、放電電極１０４と電極１０６との間に６０Ｈｚの交流電圧を印加する交流電源１１４と、を有する。
放電電極１０４と電極１０６との間に電圧を印加することにより、球形ペレット１１２間で高電界が形成され、ナノ秒オーダーの短い周期のマイクロ放電が発生して非平衡プラズマを生成する。一方、誘電体ガラス管１０２には、ＮＯを含む窒素酸化ガスがガス流体として球形ペレット１１２の隙間を流れる。このため、ＮＯを含む窒素酸化ガスは、球形ペレット１１２間の狭い隙間で生成されるプラズマを用いて酸化され、誘電体ガラス管１０２から排出される。これにより、ＮＯの酸化処理を効率よく行うことができるとされている。
【０００４】
しかし、上記プラズマリアクター１００では、球形ペレット１１２を、ガスを流す流路に配置するので、流路抵抗等によって十分な流量を確保することが難しい。また、ナノ秒オーダーの短い周期のマイクロ放電を用いるので、ＮＯの酸化処理の効率が低い。このため、プラズマの生成領域を広くして、多くのＮＯを効率よく酸化処理することが望まれている。また、放電のために数ｋＶの電圧を印加するので、電源が大型化し、コンパクトな装置の構成は難しい。
【０００５】
そこで、高周波信号を用いた高周波放電によりプラズマを生成する方法が考えられる。
高周波放電によりプラズマを発生させるために、１０ＭＨｚ以下の低い周波数帯域でよく用いられる電圧変換用のトランスフォーマを用いた場合、１００ＭＨｚ以上の高周波では、インダクタンス（リアクタンス）を小さくする必要があるので、コイルの巻き数やコイルのサイズを小さくしなければならない。このため、電線として用いるコイルの径も細くなるので、大きな電力を投入することができない、といった問題がある。
【０００６】
一方、上記電圧変換をせずに、特性インピーダンスを例えば５０Ω等に低く保持したまま、電圧を高くしようとすると、例えば１０００Ｖの電圧に対して１０ｋＷ（＝１０００2・５０／２）の電力が必要となる。このような電力を投入するコンパクトな電源を備えることは実際難しい。
【０００７】
【非特許文献１】「非平衡プラズマと化学反応プロセスを併用した窒素酸化ガスの完全除去技術（従来型およびバリア型プラズマリアクターの性能比較）」，山本俊昭他，日本機械学会論文集，６６−６４６Ｂ（２０００），１５０１−１５０６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このような状況下、本発明は、プラズマを広い領域で生成して、供給されたガスを効率よく処理することのできるコンパクトな高電圧プラズマ発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、大気圧中、ガス流として供給されるガスに対して１０2〜１０5Ｖの高電圧を与えてプラズマを発生させる高電圧プラズマ発生装置であって、交流信号の給電により共振を発生させ、この共振により高電圧を発生させる長尺状の電極であって、前記交流信号の給電点が前記長尺状の中間部分に設けられる第１の電極と、前記第１の電極が放射する電磁波を閉じ込める空間を形成するように、前記第１の電極の周りを覆い、前記第1の電極の少なくとも一方の端から、前記第1の電極の延長上の離間した位置に、ガス流の供給口が設けられた金属製の筐体と、前記第１の電極の前記一方の端の近傍に、前記一方の端から離間して設けられ、前記筐体と接続された、アースされた第２の電極と、前記第１の電極が電磁波を放射する際の共振周波数と同じ周波数の信号を前記給電点に給電する電力供給装置と、を有し、前記第1の電極と前記第２の電極間の領域で、前記ガスを用いたプラズマを生成することを特徴とする高電圧プラズマ発生装置を提供する。
【００１０】
その際、前記筐体はアースされ、前記第２の電極は、前記供給口に設けられ、アースされた前記筐体と接続された網状電極であることが好ましい。
また、前記筐体には、供給されプラズマが生成された後のガスを排出する排出口が設けられていることが好ましい。その際、前記排出口は、前記第２の電極が設けられる側と反対側の、前記第1の電極の延長上の離間した位置に設けられていることが好ましい。さらに、前記排出口には、アースされた前記筐体と接続された網状電極が設けられ、この網状電極と、前記第１の電極の前記他方の端との間の領域で、前記ガスを用いたプラズマを生成することが好ましい。
【００１１】
また、前記供給されるガスは、窒素酸化ガスを含むガスであり、供給された窒素酸化ガスのうち一酸化窒素ガスを、生成されたプラズマを用いて酸化処理をすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、金属製の筐体が、第１の電極が放射する電磁波を閉じ込める空間を形成するように、第１の電極の周りを覆い、第1の電極の少なくとも一方の端から、第1の電極の延長上の離間した位置に、ガス流の供給口が設けられ、さらに、第２の電極が、第１の電極の一方の端の近傍に、一方の端から離間して設けられ、筐体と接続されたアース電極となっている。このため、ガスが供給されたとき、生成されるプラズマは、第1の電極と第２の電極との間の領域に生成され、しかも、ガスの流れに伴って下流側に延びるので、ガスがプラズマに曝される領域が広く、この結果、ガスを効率よく処理することができる。
また、第１の電極の共振を利用して高電圧を生成するので、大きな電源を用いる必要も無い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の高電圧プラズマ発生装置の一実施形態であるプラズマリアクターについて説明する。
図１は、プラズマリアクター１０の概略の構成を示す概略構成図である。プラズマリアクター１０は、ＮＯを含んだ窒素酸化ガス（ＮＯx）を空間内に導入し、空間内の導入口近傍で連続的にプラズマを生成させ、このプラズマを用いてＮＯを酸化処理し排出する装置である。
具体的には、プラズマリアクター１０は、棒状電極１２と、網状電極１４と、筐体１６と、電力供給ユニット１８と、を主に有して構成される。
【００１４】
棒状電極１２は、高周波信号の給電を受け、棒状電極１２内での共振が発生することにより高電圧を発生させる長尺状の棒形状を成した銅からなる電極である。高周波信号の給電点２２は長尺状の中間部分に設けられている。棒状電極１２は、２ｌの長さを持ち、この長手方向の中心位置から僅かにずれた位置、具体的には、下記式（１）で定まる位置に給電点２２を有している。給電点２２には、給電線２８から接続端子３０を介して高周波信号が電力として印加される。給電点２２が、棒状電極１２の長手方向の中心位置から僅かにずれた位置（ずれ量x0とする）に設けられるのは、プラズマリアクター１０へ給電するときのインピーダンス整合を取るためである。棒状電極１２は、交流ダイポールアンテナと同様に、棒状電極１２中を伝送する伝送信号の波長λの半分の長さが棒状電極１２の長さ２ｌとなるとき最低次モードの共振が生じて、効率よく高電圧を生成させることができることから、上記長さ２ｌは、プラズマリアクター１０において共振周波数を定める重要な要素である。本実施形態では、１００ＭＨｚ〜１０ＧＨｚの周波数帯域において有効に高電圧を発生するように、長さ２ｌは設定されている。棒状電極１２は、銅の他に、銀、アルミニウム等も好適に用いられる。
【００１５】
【数１】
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【００１６】
網状電極１４は、棒状電極１２の一方の端（図１では左端）の近傍に、この端から離間して設けられ、筐体１６と接続された電極である。網状電極１４は、金属製の筐体１６の端部に設けられた開口部である供給口２０を覆うように設けられ、アースされている筐体１６と電気的に接続されている。このため、網状電極１４は、常に電位が０となっている。網状電極１４には、導電性の高い導体材料、例えば、銀、銅、アルミニウム等が好適に用いられる。
【００１７】
筐体１６は、棒状電極１２の周りを覆うように設けられ、棒状電極１２の少なくとも一方の端（図１中の左端）から、棒状電極１２の延長上の側に離間した位置に、ガス流の供給口２０を備え、棒状電極１２が放射する電磁波を内部空間に閉じ込める金属製の部材で構成されている。筐体１６は、棒状電極１２の他方の端（図１中の右端）から、棒状電極１２の延長上の離間した位置に、供給されたガスを排出する排出口２４を備える。すなわち、供給口２０と排出口２４は、棒状電極１２の延長上の位置にあり、棒状電極１２の長手方向に平行にガスが供給され、排出される。
【００１８】
電力供給ユニット１８は、棒状電極１２の共振周波数と同じ周波数の信号を給電点２２に給電するユニットである。電力供給ユニット１８は、棒状電極１２中を伝送する伝送信号の波長λの半分の長さが棒状電極１２の長さ２ｌとなるとき最低次モードの共振が生じるように、概略の発振周波数の範囲が定められており、筐体１６に設けられた電界プローブ２６から得られる計測信号を用いて、高周波信号の周波数を調整しながら、共振周波数に対応する周波数の信号を給電する。具体的には、図示されないＲＦ発振器、減衰器、任波形発振器及びアンプを有し、筐体１６の外側に設けられ、給電点２２と接続される信号線２８の接続端子３０と接続される。電力供給ユニット１８は、図示されない減衰器を用いて、供給する電力を調整し、任波形発振器を用いてデューティ比を変えてプラズマの発生を微調整する。
電力供給ユニット１８では、上記ＲＦ発振器の発振周波数が、筐体１６内部の空間の電界を計測する電界プローブ２６の計測信号に基づいて、調整される。
【００１９】
なお、棒状電極１２の、網状電極１４側の端には、生成されるプラズマを維持することができるように、アルミナからなるセラミックバリア３２が設けられている。セラミックバリア３２は、数ｍｍ程度の厚さで構成される。
【００２０】
筐体１６の供給口２０には、ＮＯを含む窒素酸化ガス（ＮＯx）を供給する供給管３４が接続され、例えば、図示されないディーゼルエンジン等の排気口と接続されている。筐体１６の排出口２４には、排出管３６が接続され、大気中に排出されるように、図示されないブロアを用いて筐体１６の内部空間のガスを吸引する。
【００２１】
このようなプラズマリアクター１０では、給電点２２に共振周波数と同じ周波数の高周波信号が給電されると、図２に示すように、棒状電極１２の両端で電圧が最大となる共振が発生し、両側の端で数１０００Ｖの電圧Ｖoutが生成される。上述したように、給電点２２は、棒状電極１２の中心位置に対して上記式（１）で示されるようにずれており、この給電点２２において電圧Ｖinが入力される。この給電点２２における電圧Ｖinに対する両端の電圧Ｖoutの比は、上記式（１）で定まるｘ0／（２ｌ）を用いて、１／ｓｉｎ｛ｘ0／（２ｌ）｝と表される。
【００２２】
窒素酸化ガス等のガスが供給されていないとき、大気圧中の空気で生成されるプラズマＰは、図３（ａ）に示すように、網状電極１４と棒状電極１２の端との間の領域に形成される。これに対して、窒素酸化ガスが供給口１４から供給されているとき、生成されるプラズマＰは、図３（ｂ）に示すように、供給されたガスが棒状電極１２によって上下方向に２つに別れるように、生成されるプラズマＰも、ガスの流れに沿って上下方向に拡がる。このプラズマ領域Ｐの拡大により、窒素酸化ガス等のガスがプラズマＰに曝される範囲も広くなる。このため、ＮＯ等のガスの酸化処理の効率は向上する。
【００２３】
このようなプラズマリアクター１０において、以下の寸法の装置を作製した。高さは図１中の上下方向の長さを、奥行きは図１中の紙面に垂直方向の長さを表す。筐体１６はアルミニウムで構成し、棒状電極１２は銅で構成し、網状電極１４はアルミニウムで構成した。
・筐体１６のサイズ（長手方向の長さ、高さ×奥行き）：
４２８ｍｍ,６０ｍｍ×７２ｍｍ
棒状電極１２のサイズ（長手方向の長さ、高さ×奥行き）：
３４４ｍｍ,６ｍｍ×４ｍｍ
網状電極１４とセラミックバリア３２との距離：                    １．２ｍｍ
セラミックバリア３２の厚さ：                                        ３ｍｍ
【００２４】
プラズマリアクター１０では、電界プローブ２６の計測信号により、３８０〜４２０ＭＨｚの範囲で共振周波数を探査し、インピーダンス整合した。インピーダンス整合して共振が発生するときの共振周波数は４０８．８ＭＨｚであった。このときのリターンロスρは０．０１８２、ＶＳＷＲ（定在波比）は１．０３７１、Ｑ値は略１５００、棒状電極１２の両側の端における電圧Ｖoutは略３０００Ｖであった。Ｑ値が略１５００であることから、インピーダンス整合状態、すなわち共振状態は、周波数に対して敏感であることがわかる。探査により得られた共振を実現する４０８．８ＭＨｚの高周波信号を給電点２２に連続して給電した。このときの電力は略８０Ｗである。
【００２５】
筐体１６の内部空間に上記共振状態を生成した状態で、大気中のガス成分によりプラズマが生成される。筐体１６には、生成されるプラズマが撮影可能なようにアクリル板からなる観察窓３８が設けられ、アクリル板を通して観察可能となっている。この観察窓３８を通して見えるプラズマの発光色は、窒素ガス（Ｎ2ガス）を流した場合紫色〜ピンク色となるが、ＮＯガス（４６０ｐｐｍ）を窒素ガス（Ｎ2ガス）とともに流した場合黄褐色〜オレンジ色に変化した。
【００２６】
図４（ａ），（ｂ）は、ＮＯガスを窒素ガス（Ｎ2ガス）で希釈して１８２ｐｐｍとしたガスを流したときの各ガス濃度と流量との関係を示すグラフである。各ガス濃度は、排出口２４から排出されたガスをガス分析器で分析することにより得られたものである。
図４（ａ）に示すプロット線Ａは、処理されずＮＯガスとして排出された未処理のＮＯの濃度を、プロット線Ｂは、１８２ｐｐｍからプロット線Ａの濃度を差し引くことにより得られる処理されたＮＯの濃度を示している。図４（ｂ）には、ＮＯの処理率を示している。
図４（ａ），（ｂ）より、ガスの流量が増大するにつれて、ＮＯの処理濃度および処理率は低下するが、その低下分は小さい。処理率では、処理率が最も小さい流量２０（ｌ／分）の場合でも７０％を下らない。これより、プラズマリアクター１０は、効率よくＮＯを処理することができる。
【００２７】
本実施形態のプラズマリアクター１０は、図１に示される構成のものに限られず、図５（ａ），（ｂ）に示されるプラズマリアクター５０，７０の構成を変形例として挙げることもできる。図５（ａ）に示されるプラズマリアクター５０は、以下の点で、図１に示すプラズマリアクター１０と異なり、それ以外は同じ構成である。
・アースした筐体に網状電極５２が電気的に接続されて、ガスの排出口５１に設けられる点。
・棒状電極５４の排出口側の端には、セラミックバリア５６が設けられる点。
・棒状電極５４の排出口側の端と、網状電極５２との間の領域でプラズマを生成させる点。
すなわち、プラズマリアクター５０は、ガスの供給口側で生成されるプラズマを用いてガスの処理を行うとともに、排出口側で生成されるプラズマを用いて未処理分のガスの処理を行うことにより、ガスの処理効率を向上させる構成である。
【００２８】
図５（ｂ）に示されるプラズマリアクター７０は、以下の点で図１に示すプラズマリアクター１０と異なり、それ以外は同じ構成である。
・筐体７２によって形成される内部空間の略中央部分には、内部空間を左右に分断する隔壁７４が設けられ、棒状電極７５は、隔壁７４を貫通して内部空間に設けられている点。
・内部空間が２つに分断された筐体７２には、排出口７６，７８が設けられ、筐体７２の両側に設けられた供給口８０，８２から供給されたガスを排出口７６，７８から排出する点。
・アースした筐体に網状電極８４が電気的に接続されて、ガスの供給口８２に設けられる点。
・棒状電極７５の供給口８２側の端には、セラミックバリア８６が設けられる点。
・図中左側の内部空間の排出口７６から排出されたガスは、図示されない管路によって供給口８２に導かれ、供給口８２からガスが図中右側の内部空間に導入される点。
・棒状電極の供給口８２側の端と、網状電極８４との間の領域でプラズマを生成させる点。
すなわち、図５（ｂ）に示すプラズマリアクター７０は、棒状電極７５の高電圧の生成される両端を利用して、この両端の近傍でプラズマを生成させることにより、一方の側のプラズマを用いて処理されたガスを、さらに、他方の側のプラズマを用いて処理し、処理効率を向上させる構成である。
【００２９】
以上、本発明の高電圧プラズマ発生装置について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。本発明は、ディーゼルエンジン等から排気される排気ガス中のＮＯの酸化処理装置の他に、半導体製造過程で用いる大気圧プラズマ成膜装置に適用できる。又、大気圧プラズマを用いた気体の化学反応装置に適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の高電圧プラズマ発生装置の一実施形態であるＮＯガス処理用プラズマリアクターの構成を示す図である。
【図２】図1に示すプラズマリアクターにおける共振状態を説明する図である。
【図３】（ａ）は、ガス供給がないとき状態で発生するプラズマの領域を、（ｂ）は、ガスが供給される状態で発生するプラズマの領域を説明する図である。
【図４】（ａ），（ｂ）は、図１に示すプラズマリアクターによって得られる処理結果を示す図である。
【図５】（ａ），（ｂ）は、本発明の高電圧プラズマ発生装置のうち、図１に示すプラズマリアクターと異なるプラズマリアクターの装置構成を示す図である。
【図６】従来のプラズマリアクターの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０，５０，７０  プラズマリアクター
１２，５４，７５  棒状電極
１４，５２  網状電極
１６，７２  筐体
１８  電力供給ユニット
２０，８０，８２  供給口
２２  給電点
２４，５１，７６，７８  排出口
２６  電界プローブ
２８  給電線
３０  給電接続端子
３２，５６，８６  セラミックバリア
３４  供給管
３６  排出管
３８  観察窓
７４  隔壁
【図１】
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【図２】
2010022975.tif 000005
【図３】
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【図４】
2010022975.tif 000007
【図５】
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【図６】
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